بازیابی انرژی در نمک زدایی آب
انرژی ورودی مورد نیاز فناوری اسمز معکوس (RO) برای استخراج آب شیرین از آب دریا، بسیار زیاد است. پیشرفت فناوری اسمز معکوس سبب شده است تا از فرآیند اسمز معکوس آب دریا (SWRO) در سراسر جهان و در مقیاس بزرگ برای نمک‌زدایی آب دریا و تولید آب شرب استفاده شود.
با این حال انرژی مصرف شده در فناوری SWRO برای دستیابی به آب شیرین، بسیار بالاتر از انرژی مصرفی در سایر روش‌های تصفیه آب مانند بازیافت غیرمستقیم آب آشامیدنی است.
این امر باعث می‌شود تا فرآیند اسمز معکوس آب دریا نسبت به انواع روش‌های تصفیه فاضلاب برای تولید آب آشامیدنی، گزینه گران قیمت‌تری باشد. همچنین در فرآیند شیرین‌سازی آب SWRO، از منابع انرژی تجدیدناپذیر استفاده می‌شود و در نتیجه میزان بیشتری گاز گلخانه‌ای منتشر می‌شود.
در ادامه بررسی می‌کنیم که عوامل اصلی موثر در مصرف انرژی SWRO چیست و چگونه می‌توان این فناوری را با کمک بازیابی انرژی در نمک زدایی آب را انجام داد.
فرآیند SWRO چیست؟
رشد جمعیت جهان در قرن اخیر، باعث شده تا منابع آب شیرین محدودتری در اختیار اکثر کشورهای جهان باشد. همچنین تاثیر تغییرات اقلیمی بر الگوهای بارندگی، مشکل خشکسالی را در بخش‌هایی از جهان جدی‌تر کرده است. سالانه حدود چهار میلیارد نفر در سراسر دنیا، حداقل به مدت یک ماه با مشکل کمبود آب دست و پنجه نرم می‌کنند. پیش بینی می‌شود این تعداد در دهه‌های آینده افزایش یابد.
شهرهایی که منابع آب شیرین محدودی دارند، از نمک‌زدایی و شیرین‌سازی آب دریا، به کمک بازیابی انرژی در نمک زدایی آب برای تولید آب آشامیدنی استفاده می‌کنند. تا سال ۲۰۱۶، سیستم‌های نمک‌زدایی، روزانه بیش از نود و پنج میلیون مترمکعب آب شیرین برای شهرهایی در سراسر جهان تولید می‌کردند. تعداد و اندازه پروژه‌های نمک‌زدایی در سطح بین‌المللی، از سال ۲۰۱۰ به میزان پنج تا شش درصد افزایش یافت.
این روند باعث شد که فرآیند اسمز معکوس به عنوان یک فناوری نمک‌زدایی شهرت پیدا کند و ۶۵ درصد از ظرفیت تولید آب شیرین در سراسر جهان را به خود اختصاص دهد. این فرآیند با استفاده از یک انرژی خارجی که معمولاً پمپاژ با فشار بالا است، آب را از میان یک غشای نیمه تراوا هدایت می‌کند.
مصرف انرژی در فرآیند SWRO و روش‌های بهینه سازی آن
فرآیند اسمز معکوس آب دریا، مزایای بیشتری نسبت به سایر روش‌های نمک‌زدایی و شیرین‌سازی آب دارد. از جمله این مزایا می‌توان به راندمان بالا، کنترل آسان، انعطاف‌پذیری و... اشاره کرد. با این حال، نمک‌زدایی با فناوری SWRO، به انرژی بیشتری نسبت به روش‌های دیگر تصفیه آب آشامیدنی نیاز دارد.
تصفیه آب‌های معمولی به 0.2–0.4 kWhm−3 انرژي و بازیابی آب نیز به 1.5–2.0 kWhm−3 انرژی نیاز دارد. در حالی که فناوری SWRO، به حدود 3.5 kWhm−3 تا 4.5 kWhm−3 انرژی برای تولید آب شیرین نیاز خواهد داشت.
متاسفانه بیشتر انرژی مصرف‌شده برای شیرین سازی آب دریا از سوخت‌های فسیلی تامین می‌شود که میزان بیشتری گازهای گلخانه‌ای تولید می‌کند. برای بهبود این مسئله می‌توان از راهکارهای زیر استفاده کرد:
• دستگاه‌های بازیابی انرژی در نمک زدایی آب
• تغییرات عملیاتی شامل بهبود فناوری غشاء
• استفاده از سیستم‌های غشایی یکپارچه که باعث می‌شوند از منابع انرژی تجدیدپذیر استفاده شود.
دستگاه‌های بازیابی انرژی در نمک زدایی آب
هنگام شروع فناوری SWRO، به پمپاژ فشار بالا برای غلبه بر فشار اسمز در آب شور نیاز است که منجر به ایجاد جریان کنسانتره نمکی می‌شود. از دستگاه‌های بازیابی انرژی (ERD) برای بازیابی این انرژی هیدرولیکی و انتقال آن به جریان تغذیه استفاده می‌شود.
اولین ERDهای مورد استفاده در سیستم‌های SWRO، دستگاه‌هایی از نوع گریز از مرکز مانند توربین فرانسیس، چرخ پلتون و توربوشارژر بودند. این دستگاه‌ها انرژی هیدرولیک کنسانتره را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کنند تا پیستون یا پمپ را به حرکت درآورند و انرژی هیدرولیک را دوباره به تغذیه منتقل می‌کند.
از سال ۲۰۰۰، در اکثر سیستم‌های نوین SWRO، دستگاه بازیابی انرژی محفظه ایزوباریک، جایگزین دستگاه‌های گریز از مرکز شد. ERDهای ایزوباریک انرژی هیدرولیکی را از کنسانتره مستقیماً به جریان تغذیه منتقل می‌کردند. این مدل دستگاه بازیابی انرژی نسبت به ERD گریز از مرکز کارایی بیشتری دارد. محفظه ایزوباریک دو نوع چرخشی و پیستونی دارد که در ادامه به بررسی آن‌ها می‌پردازیم:
دستگاه بازیابی انرژی در نمک زدایی آب چرخشی
این مدل شامل یک روتر مرکزی است که روی یک یاتاقان هیدرودینامیکی کار می‌کند و در آن جریان تغذیه با فشار پایین و کنسانتره با فشار بالا وارد می‌شوند. جریان تغذیه با فشار پایین، روتر را پر می‌کند. سپس آب‌بندی شده و کنسانتره با فشار بالا وارد دستگاه می‌شود که جریان تغذیه را تحت فشار قرار دهد و آن را به سمت بیرون غشای RO می‌فرستد.
پس از آب‌بندی مجدد روتر، کنسانتره کم فشاری که به‌دست آمد، توسط جریان تغذیه ورودی با فشار پایین جا‌به‌جا شده و این فرآیند مجدد تکرار می‌شود. دستگاه بازیابی انرژی در نمک زدایی آب PX به دلیل اندازه فشرده، دوام بالا، طراحی مناسب و کارایی بالا، پرکاربردترین ERD چرخشی در سیستم‌های مدرن SWRO است.
دستگاه بازیابی انرژی در نمک زدایی آب پیستونی
ERD پیستونی فرآیندی مشابه با تبادل انرژی هیدرولیک دارد و با انتقال انرژی بین کنسانتره و جریان تغذیه در داخل سیلندرهای هیدرولیک، به‌وسیله تغییر میزان فشار و توسط یک سوپاپ سوئیچر کنترل می‌شود. ERDهای پیستونی نیاز به محرک‌های کنترلی و سرمایه و نگهداری بیشتری دارند.
به حاصل تقسیم تغییر فشار تغذیه بر تغییر فشار کنسانتره، راندمان دستگاه بازیابی انرژی در نمک زدایی آب می‌گویند. راندمان ERDهای مختلف عبارتند از:
• توربین 75٪
• توربوشارژر 80٪
• چرخ پلتون 85٪
در حالی که راندمان محفظه‌های ایزوباریک حدود 95-97٪ است.
تنظیمات فرآیند ترکیبی
در جهت بهینه‌سازی فرآیند اسمز معکوس آب دریا، از ترکیب فرآیندهای RO استفاده می‌شود در ادامه دو فرآیند ترکیبی اسمز رو به جلو و اسمز کاهش فشار را بررسی می‌کنیم.
فرآیند اسمز رو به جلو (فناوری FO)
فرآیند اسمز رو به جلو یا اسمز مستقیم، شامل انتقال غیرفعال مولکول‌های آب از میان یک فیلتر ممبران از یک محلول رقیق به یک محلول با درجه غلیظ‌تر می‌شود. فناوری FO به فشار اسمز بین دو محلول بستگی داشته و نیازی به فشار هیدرولیک برای هدایت آب ندارد. از محلول رقیق شده برای بازیابی آب شیرین از محلول اولیه استفاده می‌شود.
ممبران‌های فناوری FO در مقایسه با RO تحت فشار کم یا حتی بدون فشار هیدرولیک کار می‌کنند. بنابراین مصرف انرژی را کاهش می‌دهند. عدم وجود پمپاژ برای شروع این فناوری، احتمال رسوب را کاهش می‌دهد. استفاده از فرآیند اسمز مستقیم، هنوز قابلیت استفاده در واقعیت را پیدا نکرده است.
از فناوری FO می‌توان در پیش تصفیه نمک‌زدایی SWRO استفاده کرد که سبب کاهش مصرف انرژی و افزایش نرخ بازیابی در مقایسه با فرآیندهای SWRO معمولی می‌شود.
مزیت اصلی فرآیند ترکیبی FO-RO این است که با توجه به رقیق شدن اسمزی آب دریا به انرژی هیدرولیکی کمتری برای هدایت جریان تغذیه از طریق ممبران RO نیاز است.
فناوری اسمز کاهش فشار (فناوری PRO)
فناوری اسمز کاهش فشار اولین بار در دهه ۱۹۷۰ توسعه یافت. در نروژ از این فناوری به عنوان یک فرآیند تولید انرژی با استفاده از آب دریا، بدون نمک زدایی RO استفاده می‌شد، اما این نیروگاه در سال ۲۰۱۴ به دلیل عملکرد نامطلوب تعطیل شد.
فناوری RO-PRO را می‌توان با فرآیند SWRO ترکیب کرد. کنسانتره RO بسیار شور بوده و حاوی انرژی اسمز بسیار بالایی است. فناوری PRO از طریق انتقال غیرفعال آب از میان یک ممبران، آب شیرین را از حلال جدا می‌کند. فشار بالای اسمز را می‌توان به وسیله ERD استخراج کرده و از آن برای جبران انرژی مورد نیاز برای پمپاژ فشار بالا استفاده کرد.
فرآیند RO-PRO از نظر فنی دوام بالایی دارد، اما عملکرد و مزایای اقتصادی این فرآیند مشخص نشده‌اند. RO-PRO نسبت به فرآیند اسمز معکوس، در انرژی صرفه‌جویی می‌کند. علاوه بر این در هزینه‌های مرتبط با کاهش انرژی و بازیابی بخشی از کنسانتره RO نیز موثر است.
جمع‌بندی
در حال حاضر فرآیند SWRO، شکل غالب تصفیه آب شور و تولید آب شرب و قابل استفاده است. با این حال انرژی مورد نیاز برای پمپاژ با فشار بالا، فناوری SWRO را در مقایسه با جایگزین‌های رایج مانند تصفیه آب فاضلاب، به گزینه‌ای گران قیمت برای تولید آب آشامیدنی تبدیل کرده است.
پیشرفت‌های عمده در توسعه دستگاه‌های بازیابی انرژی در نمک زدایی آب، به گونه‌ای است که اکنون سیستم‌های SWRO رواج بیشتری پیدا کرده‌اند.
در صورتی که قصد دارید محصولات مورد نیاز برای تصفیه آب را خریداری کنید، وبسایت آبین گزینه مناسبی برای تهیه این تجهیزات با کیفیت بالا است. آبین از فروشگاه‌های برتر در زمینه محصولات تصفیه آب صنعتی است. از خدمات وبسایت آبین باید به مشاوره رایگان به مشتریان اشاره کرد. شما می‌توانید برای بهره‌مندی از این خدمات مشاوره با شماره 02122228116 در تماس باشید.
